RU2203781C1

RU2203781C1 - Method for working openings by means of axial tool at applying ultrasonic oscillations

Info

Publication number: RU2203781C1
Application number: RU2002100935/02A
Authority: RU
Inventors: Е.С. Киселев; М.В. Табеев
Original assignee: Ульяновский государственный технический университет
Priority date: 2002-01-08
Filing date: 2002-01-08
Publication date: 2003-05-10

Abstract

FIELD: machine engineering, possibly operations for working openings in blanks by means of axial tool. SUBSTANCE: method comprises steps of applying amplitude modulated ultrasonic oscillations simultaneously to cutting tool in radial-axial direction and to cutting fluid in front of cutting zone and in zones of contact of tool and blank. It provides intensified penetrability of cutting fluid and decreases friction between cutting tool and blank. EFFECT: enhanced efficiency of working, increased time period of keeping strength of cutting tool. 1 dwg, 1 tbl

Description

Изобретение относится к машиностроению, а именно к обработке металлов лезвийным инструментом с применением смазочно-охлаждающих жидкостей (СОЖ) на операциях получения отверстий в заготовках из различных материалов осевым инструментом. The invention relates to mechanical engineering, namely to the processing of metals with a blade tool using cutting fluids (coolant) in operations for producing holes in workpieces from various materials with an axial tool.

Известен способ сверления отверстий с применением ультразвуковых колебаний (УЗК) (см. Марков А.И. Ультразвуковое резание трудноообрабатываемых материалов. М. : Машиностроение, 1968, с. 123), согласно которому сверление отверстий производится с наложением ультразвуковых колебаний на заготовку в направлении оси режущего инструмента. Возбуждение колебаний в заготовке приводит к снижению сил резания, улучшению отвода и дроблению стружки, к уменьшению высоты микронеровностей. A known method of drilling holes using ultrasonic vibrations (ultrasonic testing) (see Markov A.I. Ultrasonic cutting of hard-to-handle materials. M.: Mechanical Engineering, 1968, p. 123), according to which drilling of holes is performed by superimposing ultrasonic vibrations on the workpiece in the axis direction cutting tool. The excitation of vibrations in the workpiece leads to a decrease in cutting forces, improved removal and crushing of chips, to reduce the height of microroughnesses.

К причинам, препятствующим достижению указанного ниже технического результата при использовании известного способа, относится то, что при известном способе сверления отверстий при обработке заготовок большой массы необходимо применение колебаний большой мощности (сравнимой с мощностью резания). Кроме того, приспособления для сообщения заготовке УЗК существенно уменьшают жесткость технологической системы, что приводит к снижению точности обработки. The reasons that impede the achievement of the technical result indicated below when using the known method include the fact that with the known method of drilling holes when processing large workpieces, it is necessary to use high power vibrations (comparable to cutting power). In addition, devices for communicating with the UZK blank significantly reduce the rigidity of the technological system, which leads to a decrease in processing accuracy.

Наиболее близким к заявленному изобретению по совокупности признаков является выбранный в качестве прототипа способ сверления с наложением ультразвуковых колебаний (см. Марков А.И. Ультразвуковая обработка материалов. -М. : Машиностроение, 1980, с. 135), включающий в себя сверление отверстий с наложением ультразвуковых колебаний на сверло в направлении оси режущего инструмента. В результате происходит снижение сил резания, улучшаются вывод и дробление стружки, уменьшается высота микронеровностей, повышается производительность обработки и период стойкости режущего инструмента. При использовании СОЖ происходит активация жидкости, попадающей в зазор между инструментом и заготовкой. В результате в СОЖ возникает кавитация, что приводит к улучшению проникающих, охлаждающих и других ее функциональных свойств. The closest to the claimed invention in terms of features is the method of drilling with superposition of ultrasonic vibrations selected as a prototype (see Markov A.I. Ultrasonic processing of materials. -M.: Mechanical Engineering, 1980, p. 135), which includes drilling holes with by applying ultrasonic vibrations to the drill in the direction of the axis of the cutting tool. As a result, cutting forces are reduced, chip output and crushing are improved, microroughness height is reduced, machining productivity and the cutting tool durability period are increased. When using coolant, activation of the fluid falls into the gap between the tool and the workpiece. As a result, cavitation occurs in the coolant, which leads to an improvement in penetrating, cooling and its other functional properties.

К причинам, препятствующим достижению указанного ниже технического результата при использовании известного способа, относится то, что при известном способе сверления отверстий колебания передаются преимущественно перпендикулярно к линии действия главной силы резания P_z, поэтому необходимо применение колебаний большой мощности (сравнимой с мощностью резания). Кроме того, для сообщения вращающемуся инструменту УЗК требуются специальные приспособления (вибрационные головки), которые обладают малой надежностью и существенно уменьшают жесткость технологической системы, что приводит к снижению точности обработки. Также при использовании СОЖ реализация функциональных ее свойств сдерживается параметрами выходного сигнала, поступающего на излучатель с генератора. Синусоидальная форма сигнала не дает полностью реализовать эффект кавитации, способствующей интенсификации проникновения СОЖ в зону резания, так как для каждой амплитуды УЗК существует свой диапазон размеров газовых пузырьков, являющихся зародышами кавитации: в процессе кавитации участвуют лишь те пузырьки, размер которых меньше резонансных (Л. К. Зарембо, В.А. Красильников. Введение в нелинейную акустику. -М.: Наука, 1966, с. 262).The reasons that impede the achievement of the technical result indicated below when using the known method include the fact that with the known method of drilling holes, the vibrations are transmitted perpendicularly to the line of action of the main cutting force P _z , therefore it is necessary to use high power vibrations (comparable to cutting power). In addition, special devices (vibration heads) are required for communication of the rotating ultrasonic testing tool, which have low reliability and significantly reduce the rigidity of the technological system, which leads to a decrease in processing accuracy. Also, when using coolant, the implementation of its functional properties is constrained by the parameters of the output signal supplied to the emitter from the generator. The sinusoidal waveform does not fully realize the effect of cavitation, which facilitates the penetration of coolant into the cutting zone, since for each ultrasound amplitude there is a range of sizes of gas bubbles that are cavitation nuclei: only those bubbles smaller than resonant ones are involved in the cavitation process (L. K. Zarembo, VA Krasilnikov, Introduction to Nonlinear Acoustics (Moscow: Nauka, 1966, p. 262).

Технический результат - увеличение производительности обработки и периода стойкости осевого режущего инструмента при обеспечении заданного качества обработанных деталей. The technical result is an increase in machining productivity and durability of an axial cutting tool while ensuring a given quality of machined parts.

Указанный технический результат при осуществлении изобретения достигается тем, что, как и при известном способе сверления отверстий, производят наложение УЗК на осевой режущий инструмент, особенность заключается в том, что ультразвуковые колебания, модулированные по амплитуде, накладывают в радиально-осевом направлении на направляющую (кондукторную) втулку, которая передает колебания на осевой инструмент, имеющий малую жесткость в радиальном направлении. Одновременно амплитудно-модулированные колебания накладываются и на подаваемую СОЖ непосредственно в зоне обработки от колеблющегося инструмента. Такое решение позволяет снизить мощность источника колебаний и более полно использовать энергию УЗ-поля, так как колебания возбуждаются в направлении действия главной составляющей силы резания. Кроме того, УЗК возбуждаются в СОЖ не только в зазоре между инструментом и заготовкой, но и перед зоной резания. Это позволяет достигнуть большей интенсивности процесса кавитации, что в свою очередь усиливает проникающие, охлаждающие, смазывающие и другие функциональные свойства СОЖ. Использование УЗК, модулированных по амплитуде, позволяет значительно расширить диапазон размеров пузырьков, участвующих в кавитационных процессах. Это также приводит к увеличению периода стойкости режущего инструмента и производительности обработки. The specified technical result in the implementation of the invention is achieved by the fact that, as with the known method of drilling holes, superimposed ultrasonic inspection on an axial cutting tool, the peculiarity is that the ultrasonic vibrations, modulated in amplitude, are superimposed in the radial-axial direction on the guide (conductor ) a sleeve that transmits vibrations to an axial tool having low stiffness in the radial direction. At the same time, amplitude-modulated oscillations are superimposed on the coolant supplied directly in the processing zone from the oscillating tool. This solution allows you to reduce the power of the oscillation source and more fully use the energy of the ultrasound field, since the vibrations are excited in the direction of the main component of the cutting force. In addition, ultrasonic testing is excited in the coolant not only in the gap between the tool and the workpiece, but also in front of the cutting zone. This allows you to achieve greater intensity of the cavitation process, which in turn enhances the penetrating, cooling, lubricating and other functional properties of the coolant. The use of ultrasonic ultrasound modulated in amplitude can significantly expand the range of bubble sizes involved in cavitation processes. This also leads to an increase in the durability of the cutting tool and machining productivity.

Проведенный заявителем анализ уровня техники, включающий поиск по патентным и научно-техническим источникам информации, выявление источников, содержащих сведения об аналогах заявленного изобретения, позволил установить, что заявитель не обнаружил источник, характеризующийся признаками, тождественными всем существующим признакам заявленного изобретения. Определение из перечня выявленных аналогов прототипа как наиболее близкого по совокупности существенных признаков аналога позволило выявить совокупность существенных по отношению к усматриваемому заявителем техническому результату отличительных признаков в заявленном способе обработки отверстий осевым инструментом и изложенных в формуле изобретения. The analysis of the prior art by the applicant, including a search by patent and scientific and technical sources of information, identification of sources containing information about analogues of the claimed invention, allowed to establish that the applicant did not find a source characterized by features identical to all existing features of the claimed invention. The definition from the list of identified analogues of the prototype as the closest in the set of essential features of the analogue made it possible to identify the set of essential distinguishing features in relation to the applicant's technical result in the claimed method of processing holes with an axial tool and set forth in the claims.

Следовательно, заявленное изобретение соответствует условию "новизна". Therefore, the claimed invention meets the condition of "novelty."

Для проверки соответствия заявленного изобретения условию "изобретательский уровень" заявитель провел дополнительный поиск известных решений, чтобы выявить признаки, совпадающие с отличительными от прототипа признаками заявленного способа обработки отверстий осевым инструментом. Результаты поиска показали, что заявленное изобретение не вытекает явным образом для специалиста из известного уровня развития техники, определенного заявителем, не выявлено влияние предусматриваемых существенными признаками заявленного изобретения преобразований на достижение технического результата. Описываемое изобретение не основано на изменении количественных признаков, представлении их во взаимосвязи либо изменении их вида. To verify compliance of the claimed invention with the condition "inventive step", the applicant conducted an additional search for known solutions in order to identify features that match the distinctive features of the claimed method of processing holes with an axial tool. The search results showed that the claimed invention does not follow explicitly for a specialist from a known level of technology development as determined by the applicant; the effect of the transformations provided for by the essential features of the claimed invention on the achievement of a technical result is not revealed. The described invention is not based on a change in quantitative characteristics, their presentation in relationship or a change in their appearance.

Следовательно, заявленное изобретение соответствует условию "изобретательский уровень". Therefore, the claimed invention meets the condition of "inventive step".

Сущность изобретения поясняется чертежом, на котором изображена принципиальная схема устройства, реализующего предлагаемый способ. The invention is illustrated in the drawing, which shows a schematic diagram of a device that implements the proposed method.

Устройство содержит волновод 1, одновременно являющийся направляющей втулкой и имеющий центральное отверстие, направляющее струю СОЖ к зоне обработки по стружечным канавкам сверла, в котором проделано второе отверстие под углом, пересекающееся с центральным. Втулка-волновод связана с пьезопреобразователем (вибратором) 3. Источником сигнала является УЗ-генератор. С волноводом 1 соединен штуцер 4. СОЖ поступает через штуцер 4, прокладку из непроводящего ультразвуковые колебания материала 5, отражающую шайбу 6 и отверстия в пьезоэлементах и в волноводе 1 и затем по стружечным канавкам инструмента в зону резания. Втулка-волновод 1 передает осевому инструменту упругие колебания, генерируемые пьезопреобразователем. СОЖ, проходя по отверстиям волновода, также получает ультразвуковые колебания. Таким образом, УЗК одновременно накладываются на инструмент и СОЖ. The device comprises a waveguide 1, which is simultaneously a guide sleeve and has a central hole directing the coolant stream to the treatment area along the chip grooves of the drill, in which the second hole is made at an angle intersecting with the central one. The waveguide sleeve is connected to a piezoelectric transducer (vibrator) 3. The signal source is an ultrasonic generator. A nozzle 4 is connected to the waveguide 1. The coolant enters through the nozzle 4, a gasket of non-ultrasonic vibrations of material 5, which reflects the washer 6 and the holes in the piezoelectric elements and in the waveguide 1 and then through the chip grooves of the tool into the cutting zone. The waveguide sleeve 1 transmits to the axial tool elastic vibrations generated by the piezoelectric transducer. Coolant passing through the holes of the waveguide also receives ultrasonic vibrations. Thus, ultrasonic testing is simultaneously superimposed on the instrument and coolant.

При наложения УЗК на СОЖ в ней возникают высокие мгновенные давления. При этом происходит образование и колебание газовых полостей, ударных волн, вызывающих макро- и микропотоки СОЖ, образование микроканалов (капилляров) в обрабатываемом материале заготовки и в стружке, следовательно, жидкость легче проникает в отверстие. Улучшаются условия работы режущего инструмента, облегчается выход стружки, уменьшается температура в зоне резания. Так как колебания жидкости возбуждаются в большем количестве кавитирующих пузырьков непосредственно в зоне обработки (в зазоре между инструментом и заготовкой), эффективность действия УЗК колебаний увеличивается. Амплитудная модуляция сигнала существенно увеличивает диапазон размеров пузырьков, участвующих в кавитации. Поэтому происходит более полное использование энергии УЗК, что повышает эффективность обработки. When applying ultrasonic testing to coolant, high instantaneous pressures arise in it. In this case, the formation and oscillation of gas cavities, shock waves, causing macro- and microflows of the coolant, the formation of microchannels (capillaries) in the workpiece material and in the chips, therefore, the liquid penetrates the hole more easily. The working conditions of the cutting tool are improved, the chip output is facilitated, the temperature in the cutting zone is reduced. Since fluid vibrations are excited in a larger number of cavitating bubbles directly in the processing zone (in the gap between the tool and the workpiece), the efficiency of ultrasonic vibrations increases. Amplitude modulation of the signal significantly increases the size range of the bubbles involved in cavitation. Therefore, there is a more complete use of energy of ultrasonic testing, which increases the efficiency of processing.

Для проверки эффективности способа были проведены лабораторные испытания устройства при обработке материалов из различных групп обрабатываемости. Они показали, что происходит уменьшение осевой силы резания Р_о и крутящего момента М_кр (см. таблицу). Это свидетельствует об улучшении температурного режима и проникновения СОЖ в зону резания, а следовательно, о повышении периода стойкости инструмента.To verify the effectiveness of the method, laboratory tests of the device were carried out when processing materials from various processability groups. They showed that there is a decrease in the axial cutting force P _about and the torque M _cr (see table). This indicates an improvement in the temperature regime and penetration of the coolant into the cutting zone, and therefore, an increase in the tool life.

Вышеизложенные сведения свидетельствуют о выполнении при использовании заявленного способа обработки отверстий осевым инструментом следующей совокупности условий:
- способ обработки отверстий осевым инструментом, воплощающий заявленное изобретение при его осуществлении, предназначен для использования в машиностроении, а именно на операциях обработки отверстий из различных материалов осевым инструментом;
- для заявленного способа обработки отверстий осевым инструментом в том виде, как он охарактеризован в независимом пункте формулы изобретения, подтверждена возможность его осуществления с помощью описанных в заявке или известных до даты приоритета средств и методов;
- способ обработки отверстий осевым инструментом, воплощающий заявленное изобретение при его осуществлении, способен обеспечить достижение усматриваемого заявителем технического результата.The above information indicates that when using the claimed method of processing holes with an axial tool, the following set of conditions:
- a method of processing holes with an axial tool, embodying the claimed invention in its implementation, is intended for use in mechanical engineering, namely in operations of processing holes from various materials with an axial tool;
- for the claimed method of processing holes with an axial tool in the form described in the independent claim, the possibility of its implementation using the means and methods described in the application or known prior to the priority date is confirmed;
- a method of processing holes with an axial tool embodying the claimed invention in its implementation, is able to achieve the achievement of the technical result perceived by the applicant.

Следовательно, заявленное изобретение соответствует критерию "промышленная применимость". Therefore, the claimed invention meets the criterion of "industrial applicability".

Claims

A method of machining holes with an axial tool with superposition of ultrasonic vibrations, comprising supplying a cutting fluid (coolant), characterized in that superimposed modulated by amplitude ultrasonic vibrations simultaneously on the cutting tool in the radial-axial direction and on the coolant in front of the cutting zone and in the contact zones tool with a workpiece.